模具智能制造平台关键技术研究及其应用

张燕琴，宋育程，王波群

(1.东莞职业技术学院智能制造学院，广东东莞 523808；2.深圳模德宝科技有限公司，广东深圳 518052)

0 前言

模具被誉为“工业之母”，在国民经济中的地位不可替代。在传统的模具制造作业模式中，普遍存在对技术人员高度依赖、产品品质不稳定、加工效率不理想等问题。近年来，随着计算机/数字化/CAX技术和数控技术的不断发展，自动化和智能化制造已经成为模具制造重要的发展方向，智能制造随之快速发展，模云智能制造平台在此环境下应运而生。

1 基本思路及总体框架

模云智能制造平台以实现模具智能制造为目标，运用现代IT、物联网、云计算、大数据、3D虚拟等技术，涵盖知识管理、CAD设计、CAPP工艺设计、CAM程序设计、精密加工、CMM自动检测校正、APS自动排产、ROBOT机器人等内容，是一个为模具企业提供管理、设计、制造信息化技术服务的云平台。模云智能制造平台基于SaaS服务方式，通过互联网浏览器、移动APP等形式为模具企业提供服务，开箱即用的服务模式开启了互联网+智能制造的新模式，为解决模具企业(特别是中小模具企业)存在的品质、成本和效率问题提供帮助。

模云智能制造系统主要围绕设计数据化、生产自动化和管控智能化3个方面开展实施，总体框架如图1所示。

图1 模云智能制造系统总体框架

2 建设内容

2.1 设计数字化

(1)制品可制造性分析(DFM)

根据产品的3D图样、材料和技术要求等信息，分析制品的可制造性，包括模具型腔排布、流道尺寸、进浇方式、分型面、模具结构、运水排布、顶出机构设计等，并开展CAE成型工艺分析，分析填充时间、压力、温度和熔合线、收缩等缺陷，为制造精度及成型参数调整提供参考。完成此项工作，将制品电子图档和可制造性设计(Design for Manufacture,DFM)分析报告上传模云系统的项目管理模块，开启一个新模制品项目。

(2)模具结构及电极设计(CAD/ EDM)

根据模具设计、制造过程中的关键步骤，模云系统使用C#、C语言，基于NX软件开展了二次开发，开发了CAD、EDM、CAM、CMM和CAPP等功能模块，使用界面如图2所示。

图2 基于NX二次开发的CAX模块界面

设计人员登录模云系统，进入智能设计模块——CAD任务，选择要开始设计的任务，点击“开工”，即可在NX的CAD模块中下载设计任务，开始模具结构设计或电极设计。模云系统界面如图3所示。利用CAD模块和EDM模块根据现场的设计方式制作开发流程，集成模具设计和电极设计的很多便捷功能(如自动分模、多电极头自动设计等)，这些功能为拥有大量传感器的智能模具的结构设计与实现提供了强大的工具支持。设计过程中采用了大量标准化的工作成果——标准件、自定义模板、自动调用经验数据库(Know-How)，以及工程图/放电图一键生成、BOM表一键导出上传等智能化设计功能，能极大地提高工程师的设计能力和设计效率。

图3 模云系统界面

(3)零件加工工艺设计(CAPP)

BOM表中需新制的模具零件将被系统自动命名并出现在工艺设计(CAPP)模块的“待加工零件”目录下。工艺工程师选择需要新制的零件开始排工艺，点击“开工”，即可在NX的CAPP模块下载图档，提取数模中各加工面的属性，用不同颜色表示不同零件公差及加工方式，保存已上色图档至系统数据库。公差色码对照如图4所示。

图4 公差色码对照

在系统中编制零件加工工艺，一个型腔零件包含深孔钻、铣床、CNC粗加工、热处理、磨床、线切割、CNC精加工、EDM放电、检测、抛光、配模等十几个加工工序，如图5所示。每个工序的工艺设计包含指定加工面、工序内容、加工工时、工具夹具及是否生成CAM任务等信息。零件加工工艺编制完成后点击“完成工艺”按钮，系统将生成上述工段的编程任务。

图5 加工工艺设计

另外，在一些重要配合零件中，为保证模板与镶件之间的装配精度，系统在工艺设计模块设立了组立件设计功能，可以实现多个零件的组立编程加工,如图6所示。

图6 组立件加工

(4)加工程序编制(CAM)

编程人员登录模云系统，进入智能编程模块——CAM任务，选择要开始编程的任务，点击“开工”，即可在NX的CAM模块中下载编程任务，开始模具零件或电极零件的程序编制。CAM模块根据不同类型零件的特点，以大量加工工艺参数经验数据为依据，集成了大量CAM编程模板，可实现大部分零件的自动编程，可一键生成程序单并将多种后处理文件自动上传至模云系统，后续可供不同加工机床直接调用程序。

无论是制品可制造性分析、模具结构的设计，还是零件加工工艺设计和程序编制，所有的设计数据都将实时上传、保存至模云系统的数据库中，最终实现系统内的数据资源共享。这种互联网+模具设计的模式，打破了时空界限，实现了设计大协同，促进了模具研发智能技术集成化的发展。

2.2 生产自动化

(1)自动排产(APS)

计划排产模块是模云智能制造系统中重要的一环。系统根据加工零件的数量、项目交期及工厂产能等信息自动排产。生产加工过程中，如有临时急件插入，可在系统页面快速设置“急件”，从而保证优先完成加工，实现灵活排产。计划排产模块还可随时查看计划明细、查询排程执行情况和产能负载等信息。

(2)零件RFID智能识别

与过去使用贴纸确认零件身份的做法不同，模云系统在备料阶段就为每一个零件分配了带有RFID标签且将伴随零件制造整个生命周期的标准化夹具。使用RFID芯片读写器，给对应夹具的RFID芯片写入与零件编号唯一对应的信息，以便能够自动选择与之对应的加工图纸、加工程序和加工数据等信息，并将零件各工段的加工记录与检测报告通过RFID自动与数据库相连，实现工件快速、准确的智能识别，如图7所示。

图7 RFID智能识别系统(RFID芯片+芯片识读器)

(3)模具自动化加工

模具零件的加工主要包括钢件和电极的加工。在模云的自动化加工单元中，电极零件在设计任务完成之后，与钢件一样依次进入编程、备料、校正、加工、检测、出货等环节。模云系统的自动化加工单元流程如图8所示。

图8 自动化加工单元流程

模具自动化加工生产线整合了CNC、机器人、工件料架、刀具架、清洗机等装备，如图9所示。自动化产线通过模云系统的智能制造模块来控制运行，每个工位的加工程序由RFID芯片自动识别下载，安全稳定；机器人响应时间为60 s以内，可实现24 h无人作业，操作员只需要上下料和做好监控即可。

图9 自动化加工生产线

未纳入自动化加工生产线的工段零件加工，工件上机后，操作员只需扫描夹具上的RFID芯片，程序即可自动调入设备控制器，机床按照预先设定好的程序开始加工，可实现加工无纸化与3D档案的可视化。另外，为节省机内调整时间、提高机台稼动率，操作员通常会将工件在机外预调平或将工件在机外校正，并将相关信息自动录入到RFID芯片。

(4)自动检测(CMM)

与过去的手工编程不同，在NX的CMM模块中，软件可自动识别电极3D，自动生成CMM检测程序,如图10(a)所示；可自动进行安全碰撞仿真，以确保程序的安全性；对于形状特殊的电极(如潜伏浇口电极)，CMM测头可实施自动转角防干涉处理。软件同时支持手动编程模式，灵活高效。

在实际检测过程中，检测工件由RFID芯片智能识别，并自动下载检测程序；系统驱动三坐标设备进行工件检测，如图10(b)所示，自动生成可视化3D检测报告并上传至系统，如图10(c)所示。与传统的需要人为判断工件是否合格的2D检测报告不同，系统可自动分析检测结果，将不合格工件的偏差直接写入RFID芯片，返修时系统将根据检测结果自动调整加工参数。

图10 自动检测

2.3 管控智能化

管理信息化是管控智能化的基础，因此要实现生产管控的智能化首先要实现管理的信息化。模云系统首先将产品数据(三维数模、加工工艺卡、二维工程图、程序和刀具清单、NC程序、加工过程信息和检测报告等)和企业生产资源(人员、设备、刀具、夹具等)信息化，通过系统的项目管理、智能设计、智能编程、计划排产、智能制造、资产管理和成本管理等模块，主要实现生产计划、资源调度、产品质量、生产成本4个方面的智能管控。

(1)生产计划

企业制定生产计划之后，模云系统通过项目管理模块以新建“项目—制品—工单”的形式落实实际生产任务。每个工单任务流经“智能设计—工艺设计—智能编程—智能制造—智能检测”等系统模块，完成工件生产任务，并最终完成企业生产计划。模具企业生产订单的机动性决定了生产的不确定性，智能制造系统给项目赋予完成优先级，根据每天订单的变更可智能生成每日的生产计划，以达到柔性化生产的目的。系统通过各个功能模块可有效管理工单和工序的数据流量，实时显示生产计划量、完成量和尚欠量等内容，随时查看生产计划调整和零件(新制+返修)生产进度，实时跟进生产计划执行情况。

(2)资源调度

将人员、物料、设备等企业资源录入智能制造系统，借助计划排产、资产管理、机台监控等系统模块，可实现资源调度的智能管控。系统能够实时反映每个工位上员工当前的工作状态，及时反映工作岗位的移动，为生产安排的调配提供有力依据。应用RFID技术，通过对智能芯片的读写，系统记录了每一个加工工序过程中生产资源的去向，对物料的出、入库进行全面管理，确保生产过程中生产资源的有效利用。根据企业实际生产计划，由智能制造系统自动调整现有可用设备的工作时序，提高设备利用率，从而实现生产效率的最大化。生产现场的设备数据监控电子看板如图11所示，通过电子看板可清晰显示当前设备状态，让现场管理人员及时掌握生产状态。

图11 设备稼动监控电子看板

(3)产品质量

模云系统集成了加工零件的设计、制造、检验等各阶段的数字化信息，借助智能制造、综合报表等功能模块，通过对图纸文档的规范管理、操作规程的合理梳理、工艺参数的分析优化、生产过程的实时监控、质量数据的分析整理，实现产品质量的智能管控。系统实时录入生产过程中产生的各类数据(设备、刀夹具、材料参数、工艺数据等)，对生产大数据进行整合利用，通过与预先建立的质量标准作比对，对加工异常及不良产品自动进行分析，及时发现问题、纠正偏差，确保产品质量。

(4)生产成本

模云系统中各种信息数据的高度集成(原料的流通、人员的调配、设备的使用和维修等)，使得企业生产资源的管控、追踪得以轻松实现。系统通过外协管理、成本管理等模块，可方便获得企业生产中人力、物资、设备及外协的成本数据，为企业经营管理者的决策提供重要依据。

3 技术特点及工作成效

依托模云系统完成的模具智能制造过程，呈现如下技术特点：

(1)知识库的大量运用

模云系统采用MYSQL数据库，预设了大量诸如加工材料、切削参数、公差等级、机床放电等知识数据，支撑系统的智能设计、智能编程等功能，不仅大大降低了模具设计、加工工艺和程序编制对经验丰富人员的依赖，还大大提高了工作效率。

(2)多种自动化生产单元解决方案的实施

带有RFID标签的标准化夹具和托盘系统为自动化生产的实施提供了保障。根据企业实际生产需求开发不同的自动化生产单元，如工件加工单元、电极加工单元、放电加工单元和混合加工单元等。多种自动化生产单元解决方案的实施，大幅降低了劳动强度，甚至可实现无人值守加工，有效解决了传统模式中夜班产出低的问题，大幅提高了企业的生产效率。

(3)生产过程的智能管控

系统根据采集到的数字化信息，对生产过程进行智能管控。例如，系统可实时监控刀具寿命，对寿命完结的刀具实施机器人自动换刀，若无法自动换刀，系统将自动禁用机床并发送报警信息。利用各种查询功能(人员、图纸、设备等)、看板功能(设备稼动率看板、料架状态看板、加工任务看板、加工历史等)及消息推送(预警、报警等)，可实现加工过程的有效管控。实施智能管控不仅可大幅提高企业效率，还可避免传统管理模式中来自人的不稳定因素，使得产品加工品质更高，质量更稳定。

(4)高效智能的数据分析

系统可自动生成丰富的实时生产报表、全数字化质量分析报告和成本分析报告。特别是质量分析数据可以为质量事故的分析、质量问题的追溯提供有力支撑。

4 结语

模云智能制造系统的实施，实现了模具产品的设计数字化、生产自动化和管控智能化，是一个信息化和自动化高度整合的模具智能制造平台。系统的开发与应用，将模具生产制造过程端到端打通，实现了模具企业的智能化和精细化管理，有效提高了产品质量，降低了运营成本，提升了企业效益。